El litio no sale del salar listo para incorporarse a una batería. Entre la salmuera extraída en el norte de Chile y el hidróxido de litio (LiOH) que se utiliza para fabricar los cátodos de estos dispositivos existe una cadena de separación, purificación y transformaciones químicas que puede extenderse por varias etapas e incluso realizarse en diferentes países. Una de las rutas industriales utilizadas para obtener este material desde salmueras comienza con la concentración y purificación del recurso para producir carbonato de litio. Este compuesto debe reaccionar posteriormente con hidróxido de calcio —conocido como cal apagada— para transformarse finalmente en hidróxido de litio, producto requerido especialmente para fabricar baterías con cátodos ricos en níquel y de alta densidad energética, como las que utilizan los vehículos eléctricos con mayor autonomía.
La reacción química de este proceso además genera carbonato de calcio, un sólido que debe separarse de la solución mediante procesos de filtración y lavado. Después también es necesario concentrar y cristalizar el material refinado para llegar al hidróxido de litio utilizado en baterías de iones de litio de alta densidad energética. Cada etapa demanda reactivos, equipos, energía, agua, tiempo de procesamiento y sistemas para manejar los subproductos. A estos requerimientos se puede sumar como dificultad la distancia geográfica entre los distintos eslabones de la cadena productiva. Chile tiene una participación relevante en la extracción y producción de compuestos como carbonato e hidróxido de litio, pero la refinación y las cadenas industriales posteriores se encuentran altamente concentradas en un grupo reducido de países, con China como actor dominante.
La Agencia Internacional de Energía ha advertido que la concentración geográfica de la refinación continúa aumentando y que cerrar esta brecha requiere no solo inversión, sino también tecnologías, equipamiento especializado y capital humano. En este contexto, investigadores del Advanced Mining Technology Center (AMTC) de la Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas de la Universidad de Chile desarrollaron una ruta que podría acortar y abaratar el proceso para refinar este mineral. En lugar de fabricar primero carbonato de litio para convertirlo posteriormente en hidróxido de litio, la propuesta busca pasar directamente desde una solución purificada de cloruro de litio a hidróxido de litio mediante una membrana. Los positivos resultados a escala de laboratorio de este sistema fueron presentados en la revista científica Separation and Purification Technology.
La membrana que simplificaría todo
Humberto Estay, director e investigador principal del AMTC de la Universidad de Chile, quien lideró la investigación, destaca que la motivación central detrás de este método de refinación de litio es la reducción de costos. “Es una alternativa que podría reducir costos de inversión y operación respecto al método actual, que requiere la producción intermedia de carbonato de litio”. Detalla, asimismo, que “este proceso reemplaza a la línea actual de producción, por lo que se puede instalar como reemplazo de varias etapas justo entre la remoción de impurezas y la cristalización final. Asimismo, se puede instalar en las etapas de refinación de los procesos de extracción directa de litio desde salmueras (DLE)”.
El sistema desarrollado puede imaginarse como dos recipientes separados por una pared selectiva. En uno se encuentra la solución de cloruro de litio que se busca transformar. En el otro hay una solución de hidróxido de sodio. La membrana permite el intercambio de determinados iones entre ambos compartimentos, pero limita el paso de otros. Impulsados por la diferencia de concentraciones, los iones de cloruro atraviesan la membrana y abandonan la solución que contiene litio. Al mismo tiempo, iones de hidróxido se desplazan en sentido contrario para combinarse con el litio que permanece en el primer compartimento para formar una solución de hidróxido de litio. Este fenómeno, conocido como diálisis de Donnan, se diferencia de la electrodiálisis en que no necesita de la aplicación de un campo eléctrico externo para impulsar el intercambio, ya que el movimiento se produce gracias al desequilibrio químico entre las soluciones situadas a ambos lados de la membrana.
El equipo complementó los experimentos con un modelo matemático que describe el transporte de los distintos iones. Además, identificó la concentración de hidróxido de sodio, la cantidad de cloruro de litio y la relación de volumen entre ambos compartimentos como las variables que más influyen en el rendimiento. De esta forma, la herramienta permitiría anticipar el comportamiento de configuraciones diferentes antes de construirlas y orientar el diseño de módulos con una mayor superficie de membrana. Sin embargo, su capacidad predictiva todavía está circunscrita a las condiciones probadas en el laboratorio y debe comprobarse en equipos de mayor tamaño. “Se deben realizar aún estudios de reducción de transferencia de impurezas, estabilidad de membranas, antes de avanzar en escalamiento. Para ello se requieren fondos de investigación y desarrollo, que estamos analizando cómo conseguir”, señala Humberto Estay.
«A diferencia de la electrodiálisis, este proceso basado en la diálisis de Donnan consume solo energía de bombeo, por lo que se espera una reducción significativa de energía comparado con esa opción”, explica el investigador de la Universidad de Chile. La publicación, de esta manera, demuestra un potencial de ahorro al eliminar operaciones, pero no presenta aún un balance energético del proceso industrial completo asociado a este método de refinación del litio. Por ello, los resultados de eficiencia energética deberán considerar también el funcionamiento de bombas y sistemas de circulación, la eventual calefacción de soluciones, la producción de hidróxido de sodio y la energía necesaria para concentrar y cristalizar el producto.
Una oportunidad para agregar valor al litio chileno
“Creo que los estudios en electrodiálisis y este nuevo de Donnan diálisis son alternativas que se deben estudiar con mayor profundidad y podrían ser el futuro de la producción de LiOH”, plantea el investigador Humberto Estay. El país ya produce y exporta carbonato e hidróxido de litio, pero todavía tiene una participación limitada en los eslabones posteriores de la cadena. La propia Estrategia Nacional del Litio reconoce que Chile mantiene una posición relevante en la extracción y participa en la refinación, pero prácticamente desaparece en la fabricación de materiales electroquímicos, celdas y baterías. La importancia del desarrollo tecnológico local, en este sentido, radica en que puede ayudar a la generación de valor en Chile mediante patentes, licencias, empresas proveedoras, fabricación de equipos, modelación de procesos, automatización y producción de compuestos de alta pureza. El conocimiento y las capacidades, asimismo, también podrían ofrecerse a otros países.
El siguiente paso en el desarrollo de esta tecnología apunta a “optimizar el proceso a escala de laboratorio y luego ver estrategias para avanzar con financiamiento para un pilotaje”, indica el investigador del AMTC de la Universidad de Chile. Estos avances permitirán probar el sistema con soluciones procedentes de operaciones reales y pasar desde experimentos por lotes a un sistema continuo que se pueda implementar en una planta, integrando el sistema de membranas con etapas anteriores y posteriores, y precisar indicadores comparables como kilogramos de litio recuperados, pureza alcanzada, energía y agua consumidas, cantidad de hidróxido de sodio requerida, vida útil de las membranas, volumen de residuos y costo por tonelada producida. El desafío principal, en esta línea, consistirá en aumentar la cantidad de LiOH producida por unidad de tiempo sin incrementar excesivamente la superficie de membrana, la energía, el agua, el volumen de reactivos ni las pérdidas de litio.
La evaluación tecnoeconómica y el análisis de ciclo de vida harán posible la comparación productiva de este proceso con la refinación convencional desde carbonato, la electrodiálisis y otras tecnologías emergentes. Solo entonces será posible determinar si la eliminación de una etapa compensa el costo de las membranas, los reactivos y la concentración posterior del producto. La membrana estudiada no convertirá por sí sola a Chile en fabricante de baterías, pero representa el tipo de conocimiento que puede permitirle avanzar desde la venta de recursos y compuestos básicos hacia el dominio de tecnologías críticas de refinación. Entre el salar y la batería existe una extensa cadena de valor. Simplificar uno de sus eslabones —y desarrollar esa solución desde Chile— puede ser un paso pequeño en el laboratorio, pero estratégico para el país.